Vol. 13, No. 2, 2010, p. 153~158
153
초동주시 역산을 통한 KCRT-2008 측선 하부의 지진파 속도구조
김기영1*·이정모2·박창업3·정희옥4·홍명호1·김준영1
1강원대학교 지구물리학과
2경북대학교 지질학과
3서울대학교 지구환경과학부
4군산대학교 해양시스템공학과
Seismic Velocity Structure Along the KCRT-2008 Profile using Traveltime Inversion of First Arrivals
Ki Young Kim1*, Jung Mo Lee2, Chang-Eob Baag3, Heeok Jung4, Myung Ho Hong1, and Junyeong Kim1
1Department of Geophysics, Kangwon National University
2Department of Geology, Kyungpook National University
3School of Earth & Environmental Sciences, Seoul National University
4Department of Ocean System Engineering, Kunsan National University
요 약: 한반도 중남부 지각 속도구조를 밝히기 위해서, 주요 지체구조 경계와 거의 직각을 이루는 북서 − 남동 방향의 299 km 측선(KCRT-2008)을 따라 대규모 인공지진파 실험을 실시하였다. 21 ~ 113 km 간격의 깊이 50 ~ 100 m인 8개 시추공에서 250 ~ 1500 kg의 폭약을 발파하였고, 발생된 지진파 신호는 측선을 따라 평균 500 m 간격으로 매설한 4.5 Hz 수신기로 수신하였다. 초동주시를 토모그래피 방식으로 역산한 결과, 파선경로는 2 ~ 3, 11 ~ 13, 20 km 깊이에 지각 내 굴절면이 존재함을 보인다. 굴절파 속도 7.7 ~ 8.1 km/s의 모호면은 중앙부에서 최대 34.2 km 깊이에 달하며, 동해와 황해로 접근하면서 얕아진다. 속도 7.6 km/s 등치선의 깊이는 31.3 ~ 34.4 km의 범위에서 변한다. 역산된 속도모델은 옥 천계와 경기육괴 하부에, 깊이 7.2 km에 중심을 둔 저속도층이 129 km까지 수평으로 연장되어 있고, 경상분지에는 속도 5.4 km/s 이하의 저속도 암석이 최대 2.6 km 두께로 쌓여 있는 모습을 보여준다.
주요어: 속도구조, 지진파 실험, 초동주시, 토모그래피, 모호면
Abstract: To investigate the velocity structure in the central and southern parts of the Korean peninsula, a 299-km NW- SE seismic refraction profile (KCRT-2008) was obtained across major tectonic boundaries. Seismic waves were generated by detonating 250 ~ 1500 kg explosives at depths of 50 ~ 100 m in eight drill holes located at intervals of 21 ~ 113 km.
The seismic signals were detected by 4.5 Hz geophones at a nominal interval of 500 m. The first-arrival times were inverted to derive a velocity tomogram. The raypaths indicate several mid-crust interfaces including those at approximate depths of 2 ~ 3, 11 ~ 13, and 20 km. The Moho discontinuity with refraction velocity of 7.7 to 8.1 km/s has a maximum depth of 34.5 km under the central portion of the peninsula. The Moho becomes shallower as the Yellow Sea and the East Sea are approached on the west and east coasts of the peninsula, respectively. The depth of the 7.6 km/s velocity contour varies from 31.3 km to 34.4 km. The velocity tomogram shows the existence of a 129 km wide low-velocity zone centered at 7.2 km depth under the Okchon fold belt and Gyeonggi massif and low-velocity (< 5.4 km/s) rocks in the Gyeongsang sedimentary basin with a maximum thickness of 2.6 km.
Key words: velocity structure, seismic experiment, first-arrival times, tomography, Moho
2010년 1월 27일 접수; 2010년 2월 25일 채택
*Corresponding author E-mail: [email protected]
Address: Dept. of Geophysics, Kangwon National University, 192-1 Hyoja-2-dong, Chunchon, Gangwon-do, 200-701, Korea
서 론
2000년 이전에는 한반도 지각구조에 관한 연구가 주로 지진 및 중력 자료에 의존하여 왔다. 한반도 최초의 지각속도모델은 1936년 쌍계사 지진의 주시자료에 근거하여 작성되었으며 (Lee, 1979), 설치된 지진계 수가 늘어나고 분석기술이 발달함 에 따라 점차 정교한 모델들이 여러 학자에 의하여 꾸준히 제 시되고 있다. 김성균(1995)은 중력자료, 자연지진 및 인공지진 자료의 굴절된 지진파, 표면파 분산곡선 등을 종합적으로 분석 하여, 2.6, 15.5, 32.8 km 깊이에 경계면이 존재하며, 각 층의 P파속도가 5.56, 6.00, 6.95, 7.76 km/s인 4층모델을 제시한 바 있다. 또한 여러 1차원 속도모델들이 수신함수 역산을 통해 밝 혀진 바 있다. 특히 유전자 알고리즘 기법을 활용하여 22개 관 측소에서의 원거리 지진자료 수신함수 역산과 표면파 분산곡 선을 종합적으로 분석하여, 한반도 지각의 속도가 6.02 km/s 에서 6.51 km/s 정도이며, 모호면 깊이는 26 km에서 36 km 사이인 3차원적 속도구조를 제시한 바 있다(Chang and Bagg, 2005).
좀 더 정밀한 지각구조 규명을 위하여 초기에 탄성파 굴절 법 및 광각반사파를 이용하였으나, 곧 다중채널 탄성파 반사법 이 주된 연구 수단이 되었다. 우리나라에는 유전이 없어서 국 내에서 반사파 조사를 수행한 석유회사가 없으며, 인구의 밀집 과 환경적 제약으로 다중채널 탄성파 반사법이 실시되지 못하 였다. 2000년 처음으로 대규모 인공지진파를 이용한 예비연구 가 시작되었으며, 2002년 한반도 지각연구팀(KCRT)에 의해 ‘서 산−경주’간 지각규모 굴절파 실험(KCRT-2002)이 최초로 실 시되었고, 2004년에는 ‘연천−고성’간(KCRT-2004), 2008년에 는 ‘강화−영덕’간(KCRT-2008) 측선조사가 실시되었다(Fig.
1). 그 결과 굴절파 토모그래피(Kim et al., 2007a) 뿐만 아니 라 다중위상 토모그래피(Cho et al., 2006), 표면파 분석(Jung et al., 2007; Jung et al., 2008), 반사파 영상(Kim et al., 2007b) 등의 다양한 연구를 통하여 정교한 2차원 속도구조가 밝혀지고 있다. 이 논문에서는 KCRT-2008 측선의 실험내용을 간략히 소개하고, 초동주시를 토모그래피법으로 역산한 후, 역 산된 속도를 지체구조와 연관하여 해석한 내용에 관하여 논 한다.
자료기록
한반도 지각의 속도구조를 규명하기 위한 노력의 일환인 KCRT-2008 지진파 실험은 2008년 11월에 경기도 강화와 경 상북도 영덕을 잇는 299 km의 북서−남동 측선을 따라 실시 되었다(Fig. 1). 측선 외부로부터 굴절되는 효과 및 겉보기 경 사의 왜곡 등 3차원적 효과를 최소화하기 위하여, 주요 지체 구조 방향과 거의 수직을 이루도록 설계하였다. 파원 위치는 강화(S1), 여주(S2), 단양(S3), 충주(S4), 제천(S5), 영주(S6),
안동(S7), 영덕(S8) 등으로, 군사적으로 접근이 불가능한 북서 쪽 끝의 발파지 S1은 원래 위치에서 남서쪽으로 이동하여 정 하였다. 이에 따라 측선의 방향이 서울의 중심부에서 북서쪽으 로 약 30 km 떨어진 부근에서 25도 가량 반시계 방향으로 꺾 여 있다. 각 발파지의 깊이 50 ~ 100 m의 시추공 내에서 250 ~ 1500 kg 폭약으로 인공지진파를 발생시켰다(Table 1).
7.5 ~ 15분 간격으로 발생된 인공지진파 신호를 측선을 따라 평균 500 m 간격으로 매설된 593개의 4.5 Hz 수직성분 지오 폰으로 감지한 후, 250 Hz 샘플률로 이동식 지진기록계 (Reftek-125)에 기록하였다. 수신기 위치들은 되도록 측선과 일
Fig. 1. Seismic profile KCRT-2008 (solid line) superimposed on a simplified tectonic map of the southern Korean peninsula (modified from Kim, 1988). The profile traverses the Gyeonggi massif (GM), Okchon fold belt (OB), Yeongnam massif (YM), and the Gyeongsang basin (GB). Locations of eight shots (empty circles), some permanent recording stations (solid circles), and previous profiles KCRT-2002 and KCRT-2004 (dashed lines) are indicated.
Table 1. Locations and source information of shots S1-S8. Data shot at station S4 were not used for this study due to low signal- to-noise ratios.
Source Latitude (degree)
Longitude (degree)
Charge Size (kg)
Depth of Explosive Center (m)
Uphole Traveltime
(ms)
S1 37.6708 126.4531 1,500 90 51.750
S2 37.2114 127.6078 1,000 90 73.515
S3 37.0653 127.8951 250 49 22.120
S4 36.9508 128.1580 250 48 20.140
S5 36.8613 128.3618 1,000 85 30.580
S6 36.7239 128.5894 250 48 15.333
S7 36.5776 128.8914 250 48 20.667
S8 36.3187 129.3557 1,500 85 21.240
치하도록 하였으나, 지형적 제한 등으로 접근이 어려운 지역에 서는 측선에서 최대 4.6 km까지 떨어져 있다. 각 발파 위치와 고도는 측량용 정밀 GPS로 측정하였고, 각 수신기들의 위치 는 이동식 GPS로 결정하였다.
한편, 각 파원의 정확한 발파시간을 계산하기 위하여, 발파 이전에 각 발파공에서 수직탄성파(vertical seismic profiling) 탐사를 실시하였다. 시추공에서 가장 가까운 지진계 설치 위치 까지 1 m 간격으로 해머를 알루미늄 판을 타격하여 소규모 지 진파를 발생시켰으며, 폭약의 시추공 내 예정 중심위치에서 하 이드로폰으로 수신하여 예정발파위치와 예정수신위치 사이의 주시를 구하였다(Table 1).
자료처리
기록된 인공지진파 자료로부터 지진파 속도구조 규명을 위 한 초동주시 역산은 포맷변환, 발파점 지연시간 보정, 위치정
보 입력, 초동발췌, 속도분석, 가상측선 설정 및 발파/수신 위 치 투영, 초동보정, 초기모델 작성, 토모그래피 역산 순서로 실
Fig. 2. Flowchart for the tomographic analysis of first arrival times of KCRT-2008 seismic data.
Fig. 3. Seismic records with reduction velocities of 6 (left column) and 8 km/s (right column) for shots at Ganghwa (S1), Yeoju (S2), Jecheon (S5), and Yeongdeok (S8). The horizontal axes are distances from the NW end of the profile. The vertical axes are reduced travel times.
Some dipping events with slower refraction velocities corresponding to S waves are shown as dipping events below the flat events.
시하였다(Fig. 2). SEG-Y 포맷으로 기록된 자료를 내부포맷으 로 변환한 후, 각 발파점의 수직탄성파 자료를 이용하여 파원 지연효과 15.3 ~ 73.5 ms를 보정하였다. Pg, P*, Pn 위상 등의 주시를 결정하기 위하여 공발점 자료(Common Shot Gather) 들을 환산속도 6.0 km/s, 6.5 km/s, 8.0 km/s로 각각 선형보정 하였으며, 20초를 지연시켜 도시함으로써 초동 발췌를 원활하 게 하였다. 신호/잡음비가 낮은 S4에서의 발파자료는 초동을 발췌하지 않았고, 이 후 처리과정에서 제외시켰다. Fig. 3은 1,000 kg 이상의 폭약을 사용한 S1, S2, S5, S8의 Pg와 Pn 위 상들이 6.0 km/s과 8.0 km/s으로 선형보정 후에 거의 수평으 로 나타나 있음을 보여준다. 측선이 서울의 북서쪽 부근에서 꺾여 있고 수신기 위치가 불규칙하게 나열되어 있으므로, 서울 과 영덕 사이의 발파 및 수신위치들을 최소자승법으로 회귀분 석하여 가상측선을 구하고, 모든 발파점과 수신점 위치들을 가 상측선 상의 가장 가까운 점에 투영하였다. 모든 트레이스의 파원−수신기간 실제거리와 가상측선 거리의 비를 계산하여 발췌한 초동주시를 보정함으로써, 가상측선에서 벗어나 있는 불규칙한 파선경로를 가상측선에 투영하고, 2차원 토모그래피
분석이 가능하게 하였다.
보정된 환산주시를 이용하여 양단주시의 일치성 및 근접 주 시곡선과의 평행성 등을 고려하여 신중하게 초동주시(Fig. 4)를 결정하고 SIRT (simultaneous iterative reconstruction technique;
Lo and Inderwiesen, 1994) 방식으로 역산하였다. 지구물리학 적 역산에 의한 해가 국지적 극소값에 수렴하는 오류를 최소 화하기 위하여, 초기모델 작성 시 가용한 속도자료를 이용하여 제약을 가하는 방식을 적용하였다. 따라서 Chang et al. (2004) 및 Chang and Baag (2005)이 수신함수 역산과 표면파 분산곡 선으로부터 구한 1차원 속도구조를 최대한 활용하였다. 측선 북서부의 고정 지진관측소 INCN와 SNU, 중앙부의 CHJ는 가 상측선으로부터 각각 18.5, 6.1, 14.4 km 떨어져 있으나, 남동 부에는 20 km 이내에 고정 지진관측소 자료가 없다. 따라서 가상측선으로부터 각각 북쪽 64.8 km와 남쪽 67.8 km 떨어진 고정 지진관측소 ULC와 HDB의 1차원 속도구조를 보간하여, 측선의 남동쪽 끝부분(Fig. 5의 ULC-HDB)의 속도를 구하였 다. INCH, SNU, CHJ, ULC-HDB의 4개 위치에서의 1차원 속 도구조의 배리오그램(variogram)을 분석한 후 크리깅 방법으 로 공간적으로 보간하여 구하였다(Fig. 5). 이 때 배리오그램의 상관거리(range)에 매우 심한 이방성을 보임에 따라, 수평거 리−깊이 공간에서의 2차원적 보간에는 너깃효과(nugget effect) 0, 문턱값(sill) 1, 이방비(anisotropy ratio) 30의 값을 선 택하였다. 초기모델은 수신기 간격과 동일한 폭을 갖는 쎌들로 구성된 30개 층으로 이루어져 있으며, 쎌의 높이는 0.4 km에 서 1.8 km까지 깊이에 따라 증가하도록 설정하였다(Fig. 5).
두 점 사이의 많은 경로 중에 주시가 최소가 되는 파선경로 를 자동적으로 찾아가도록 되어 있는 순차모델(Saito, 1989) 과정에서는 각 쎌의 한 면당 3개의 연산점을 사용하였다. 반 복계산이 진행될수록 관측주시와 계산주시의 평균제곱근 오차 는 줄어들며, 10회 반복계산 후에 관측주시와 계산주시의 평 균제곱근 오차는 77.1 ms이다. 역산결과 구해진 토모그램을 1,
Fig. 5. Initial model used for the tomographic inversion. Indicated on top of the model are locations of permanent seismic stations, INCH, SNU, and CHJ. One-dimensional velocity structure at the SE end of the profile was obtained by interpolating velocities at permanent seismic stations ULC and HDB. One-dimensional velocity models at these four locations were interpolated using the kriging method for this initial model.
Fig. 4. First arrival times after corrections for shot-static and crooked-line corrections. The vertical axis is travel time and the horizontal axis is distance from the NW end of the profile (Shot S1). Letters ‘C1’, ‘C2’ and ‘M’ are marked with corresponding apparent velocities on the travel time picks.
2, 1의 가중치를 갖는 3점 동평균으로 평활화하고(Fig. 6) 등치 선으로 나타내었다(Fig. 7).
자료 분석
한반도 모호면 깊이에 관한 기존의 연구는 연구방법과 지각/
맨틀 경계에 대한 정의에 따라 26 km (Kim, 1979)에서 41 km (최광선 등, 1993)까지 보고된 바 있다. 이 굴절파 연구에서는 모호면의 깊이를 임계굴절된 파선의 연장성 및 속도에 근거하 여 정의코자 한다. 모호면에서 굴절된 파의 초동(Fig. 4 이벤 트 ‘M’)은 파원−수신기 사이 거리(이하 ‘측선거리’) 158 km 이상에서 나타나며, 겉보기속도는 7.3 ~ 8.2 km/s 범위이다. 파 원 S1과 S2에서 남동쪽으로 진행하는 굴절파와 파원 S8에서 북서쪽으로 진행하는 파의 겉보기속도가 큰 이유는 동해와 서 해쪽으로 모호면이 얕아지기 때문이다. 중앙부에서 34.5 ± 0.9 km이던 것이 남동 및 북서부로 가면서 32.7 ± 0.9 km로 얕아 지는 이 굴절면의 역산된 토모그램 속도는 7.7 ~ 8.1 km/s이다 (Fig. 6). 지진파모호(Lowrie, 1997)로 알려진 속도 7.6 km/s의 등치선(Fig. 7)은 31.3 ~ 34.4 km 깊이에 나타난다. 속도 6.8
km 이상의 등치선이 동해쪽으로 얕아지는 모습은 KCRT-2002 토모그램(Kim et al., 2007a)에서 해석된 경상분지 하부의 고 속도층과 존재와 관련이 있어 보인다. 이 등치선은 또한 서해 쪽으로도 얕아지는데, 이는 KCRT-2002 및 KCRT-2004 해석 결과(Kim et al., 2007a; Kim et al., 2007b)와 일치하며, SNU 관측소에서의 수신함수 역산으로 구한 모호면 깊이 30 km (Chang et al., 2004)와도 일치한다(Fig. 1).
지각내부 약 20 km 깊이에는 굴절파선이 수평으로 133 km 이상 연장되는 속도 불연속면이 나타나며, 이 굴절면의 겉보기 속도는 파원 S2 및 S6 ~ S8 자료상에 6.3 ~ 7.0 km/s이다(Fig.
4 이벤트 C1). 또한 이보다 얕은 11 ~ 13 km 깊이에도 수평으 로 98 km 연장되는 속도 불연속면이 나타난다. 이 굴절면의 겉보기속도는 파원 S8에서의 발파자료 초동주시곡선상에서 6.4 km/s이다(Fig. 4 이벤트 C2). 이 경계면은 초동주시만을 사 용하였기 때문에 굴절파선이 다 나타나지는 않으나, 속도토모그 램(Fig. 6)은 이 경계면은 북서쪽으로 연장되어 있음을 시사 한다.
옥천계 및 경기육괴 상부지각에는 7.2 km 깊이에 중심을 둔 속도 5.8 km/s 이하의 저속도층이 해수면 하부 11.7 km 깊이 까지 존재하며, 수평으로 129 km까지 연장되어 있고, 두께가 최대 7.5 km 이상에 달한다(Fig. 7). 이 저속도층의 존재는 이 미 KCRT-2002 및 KCRT-2004 측선에서도 발표된 바 있으며 (Kim et al., 2007a), 고정 지진관측소 CHJ 위치에서의 역산된 1차원 속도구조(Chang et al., 2004)에서도 7.5 km 깊이에 중 심을 둔 저속도층의 존재가 잘 나타난다.
가장 느린 굴절파의 겉보기속도는 5.9 ~ 6.1 km/s로(Fig. 4), 토모그램은 평균속도가 6.0 km/s 정도인 매우 뚜렷한 경계면 이 2 ~ 3 km 깊이에 존재함을 보인다(Fig. 7). 이 경계면은 최 광선 등(1993)이 중력자료로부터 구한 깊이 3 km의 밀도경계, 김성균과 정부흥(1985)이 인공지진파로 구한 2 km 깊이의 경 계 및 김성균(1995)이 여러 지구물리학적 자료를 종합하여 구 한 2.6 km 깊이의 속도 및 밀도 경계면에 대비된다. 이 경계 면 상부층의 가장 낮은 속도는 백악기 경상분지가 위치한 곳 으로, 속도 5.4 km/s 이하의 낮은 속도를 갖는 암석이 최대 2.6 km 깊이로 쌓여 있는 것으로 해석된다. 또한 측선거리 56 ~ 57 km 부근의 지표에도 저속도층이 나타나는데, 이는 초기모델 (Fig. 5)에 사용한 고정관측소 SNU의 1차원 속도구조와 관련 이 있는 것으로 판단된다.
결 론
한반도 중남부 지각 속도구조 규명을 목적으로 실시한 굴절 파 실험측선 KCRT-2008 초동주시를 토모그래피 방식으로 역 산한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 역산결과 구한 속도모델은 속도 7.7 ~ 8.1 km/s인 모호면 굴절파가 측선거리 158 km 이상에서 초동으로 기록되며, 7.6 Fig. 7. Contours of velocity tomograms for profile KCRT-2008,
showing variation in depth of the seismological Moho (red dashed line) from 31.3 km to 34.4 km. The Moho is deepest beneath shot S5. It apparently shallows as the Yellow sea and the East sea are approached. Tectonic units are indicated from left to right as follows: GM = Gyeonggi massif, OB = Okchon belt, YM = Yeong- nam massif, and GB = Gyeongsang basin. The vertical exaggeration is 3:1.
Fig. 6. Tomograms with superimposed raypaths for profile KCRT- 2008 from seven shots. Moho (M) and mid-crust boundaries (C1 and C2) are indicated. Seismic records shot at station S4 were not used in this study due to low signal-to-noise ratios. The vertical exaggeration is 3:1.
km/s의 지진파모호면은 중앙부에서 34.4 km 깊이에 존재하고 서해안과 동해안쪽으로 얕아진다.
2. 겉보기속도 6.3 ~ 7.0 km/s의 지각내 굴절면이 20 km 깊 이에서 수평으로 133 km 이상 연장되어 있으며, 11 ~ 13 km 깊이에도 겉보기속도 6.4 km/s의 굴절면이 수평으로 98 km 연장되는 나타난다. 가장 얕은 굴절면은 2 ~ 3 km 깊이에 존 재하며, 평균속도가 6.0 km/s 정도이다.
3. 속도모델은 옥천계 및 경기육괴 상부지각에는 7.2 km 깊 이에 중심을 둔 5.8 km/s 이하의 저속도층이 최대 두께 9 km 로 해수면 하부 11.7 km 깊이까지 존재하며, 수평으로 약 130 km 연장되어 있음을 보여준다. 또한, 측선 남동부의 백악기 경 상분지에는 속도 5.4 km/s 이하의 저속도 암석이 최대 2.6 km 깊이로 쌓여 있는 것으로 해석된다.
사 사
이 연구는 기상청 기상지진기술개발사업(CATER 2006-5201) 의 지원으로 수행되었음을 밝힙니다. 이동식 지진계를 제공하여 주신 IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology) 관계자와 현장기록에 참가한 300명 이상의 강원대학교, 경북 대학교, 군산대학교, 서울대학교, 전북대학교 대학생 및 대학 원생들에게 고마움을 표합니다.
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